CN210431260U - 一种磁粘性体柔性发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种磁粘性体柔性发电装置，所述磁粘性体柔性发电装置包括第二电极层、间隔设置在所述第二电极层上方的第一电极层以及间隔设置在所述第二电极层下方的永磁体，所述第一电极层背离永磁体的一表面设置有磁粘性体薄膜；所述永磁体用于控制所述磁粘性体薄膜运动，所述磁粘性体薄膜带动所述第一电极层和第二电极层摩擦发电。本实用新型提供的磁粘性体柔性发电装置由于永磁体与第一电极层之间采用非接触式的推动方式，极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出；其结构简单，加工成本较低，对环境要求较低，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了纳米发电薄膜的稳定性、可靠性和经济性。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米发电机领域，尤其涉及一种磁粘性体柔性发电装置。
背景技术
纳米发电机（Nanogenerator，NG）是一种使用新型的能够自供能量的纳米技术制作而成的发电机，属于世界上最小的发电机。它是一种能够将微小物理变化引起的机械能或者热能转换成电能的技术装置。纳米发电机目前有三种主要的模式，分别为压电式纳米发电机（PENG），摩擦电式纳米发电机（TENG）和热释电式纳米发电机（PNG）三类。其中，压电式纳米发电机的转化和输出较低；摩擦式纳米发电机的电压虽然可以达到数百伏，但由于其内阻太大，导致电流较低；而热释电纳米发电机则主要用在温度随时间波动的地方，其具有较大的电压，但其输出电流很小，主要用于制作主动传感器来检测温度波动。
现有纳米发电机的主要问题在于纳米发电薄膜的电压波动较大，其主要原因在于推动力不稳定造成微观层面上的位移较大，这导致纳米发电机的适用范围受到较大限制。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种磁粘性体柔性发电装置，旨在解决现有纳米发电机的电压波动较大且不平稳的问题。
本实用新型的技术方案如下：
一种磁粘性体柔性发电装置，其中，包括第二电极层、间隔设置在所述第二电极层上方的第一电极层以及间隔设置在所述第二电极层下方的永磁体，所述第一电极层背离永磁体的一表面设置有磁粘性体薄膜；所述永磁体控制所述磁粘性体薄膜运动，所述磁粘性体薄膜带动所述第一电极层和第二电极层摩擦发电。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第一电极层包括从下至上依次层叠设置的第一ITO薄膜和第一PET薄膜，所述磁粘性体薄膜层叠在所述第一PET薄膜上。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第二电极层包括从下至上依次层叠设置的第二PET薄膜、第二ITO薄膜和PDMS薄膜。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第一电极层上连接有第一输出导线，所述第二电极层上连接有第二输出导线，所述第一输出导线与所述第二输出导线连接同一电容器。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第一输出导线贴合在所述第一PET薄膜中靠近第一TIO薄膜的一面，所述第二输出导线贴合在所述第二PET薄膜中靠近第二ITO薄膜的一面。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第一输出导线直接与所述第一ITO 薄膜电连接，所述第二输出导线直接与所述第二ITO薄膜电连接。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述第一输出导线和第二输出导线独立地选自银、铜、镓铟合金或镓铟锡合金中的一种。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述永磁体与所述磁粘性体薄膜的磁化距离为1-20mm。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述磁粘性体薄膜的材料包括纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷。
所述的磁粘性体柔性发电装置，其中，所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:1-1:4。
有益效果：与现有的纳米发电薄膜相比，本实用新型提供的磁粘性体柔性发电装置由于永磁体与第一电极层之间采用非接触式的推动方式，极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出；其结构简单，加工成本较低，对环境要求较低，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了纳米发电薄膜的稳定性、可靠性和经济性。
附图说明
图1为本实用新型一种磁粘性体柔性发电装置较佳实施例的结构示意图。
图2为本实用新型中磁粘性体柔性发电装置的第一原理示意图。
图3为本实用新型中磁粘性体柔性发电装置的第二原理示意图。
图4为本实用新型中第一电极层的第一结构示意图。
图5为本实用新型中第一电极层的第二结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种磁粘性体柔性发电装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，如图1为本实用新型提供的一种磁粘性体柔性发电装置较佳实施例的结构示意图，其中，如图所示，所述磁粘性体柔性发电装置包括第二电极层20、间隔设置在所述第二电极层20上方的第一电极层10以及间隔设置在所述第二电极层20下方的永磁体30，所述第一电极层10背离永磁体30的一表面设置有磁粘性体薄膜11；所述永磁体30用于控制所述磁粘性体薄膜11运动，所述磁粘性体薄膜11带动所述第一电极层10和第二电极层20摩擦发电。
在本实施例中，所述永磁体30与所述第一电极层10中的磁粘性体薄膜11之间的移动距离可控，当所述永磁体30逐渐向所述磁粘性体薄膜11方向移动靠近时，所述磁粘性体薄膜11逐渐被磁化并对所述第一电极层10产生面向第二电极层20的向下作用力，所述第一电极层10在作用力下逐渐发生形变并与第二电极层20发生碰撞和摩擦，从而产生电能。
当所述第一电极层在于第二电极层发生碰撞和摩擦后，此时所述永磁体30朝远离磁粘性体薄膜11的方向移动，磁粘性体薄膜11会退磁化，磁粘性体薄膜11对第一电极层10的作用力减弱并消失，第一电极层10恢复形变，第一电极层10和第二电极层20之间的间隙恢复。因此，本实施例通过所述永磁体30控制所述磁粘性体薄膜11的磁化和退磁化，可以使第一电极层10和第二电极层20之间不断发生碰撞和摩擦，而产生电能。
本实施例提供的磁粘性体柔性发电装置由于永磁体与第一电极层之间采用非接触式的推动方式，这极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出；其结构简单，加工成本较低，对环境要求较低，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了纳米发电薄膜的稳定性、可靠性和经济性。
在一些实施方式中，如图1所示，所述第一电极层10包括从下至上依次层叠设置的第一ITO薄膜13和第一PET薄膜12，所述磁粘性体薄膜11层叠在所述第一PET薄膜12上。在本实施例中，所述第一PET薄膜主要用作可发生形变的支撑材料，所述第一ITO薄膜主要用作产生带正电的表面。所述第二电极层20包括从下至上依次层叠设置的第二PET薄膜21、第二ITO薄膜22和PDMS薄膜23，所述第二电极层20间隔设置在所述第一电极层10上方，所述PDMS薄膜23的表面与所述第一ITO薄膜13的表面分别为摩擦发电时的上摩擦面和下摩擦面。
在本实施例中，如图2和图3所示，当所述第一电极层中的第一ITO薄膜和第二电极层中的PDMS薄膜在永磁体的作用下发生摩擦时，由于摩擦电极性的差别，所述第一ITO薄膜表面容易失去电子，所述PDMS薄膜表面容易得到电子，当所述第一电极层中的磁粘性体薄膜在永磁体的作用下，对所述第一电极层产生作用力使其发生形变并逐渐靠近第二电极层，即所述磁粘性体薄膜可带动所述第一ITO薄膜与所述PDMS薄膜发生碰撞摩擦，此时电子从所述第一ITO薄膜表面转移到PDMS薄膜表面上，从而使得两个膜层表面带上相等数量符号相反的电荷，即摩擦电荷；当上、下摩擦面（第一ITO薄膜表面和PDMS薄膜表面）在外力作用下慢慢分离开来，将会在两种摩擦面之间产生电势差，由于静电感应，使得带负电荷的PDMS薄膜排斥其背负的电极上的电子，如果此时PDMS薄膜和第一ITO薄膜背负的电极通过负载连接起来，则在电势差的驱动下，电子就会发生流动，以平衡上下两个摩擦面的电势差，即在外电路中产生电流。当外力不再作用且两个摩擦面之间的间隙距离达到最大时，则上下摩擦面和其各自背负的电极都处于静电平衡状态，外电路没有电子的移动，电流为零。
与现有的纳米发电薄膜相比，本具体实施例提供的磁粘性体柔性发电装置采用非接触式的推动方式，极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出；其结构简单，加工成本较低，对环境要求较低，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了纳米发电薄膜的稳定性、可靠性和经济性。进一步的，本实施例提供的磁粘性体柔性发电装置结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修，其还具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计。
在一些实施方式中，如图1所示，所述第一电极层10上连接有第一输出导线14，所述第二电极层20上连接有第二输出导线24，所述第一输出导线14与所述第二输出导线24连接同一电容器。在本实施例中，所述第一输出导线和第二输出导线连通后，用于将磁粘性体柔性发电装置摩擦发电的能量输出并存储在电容器中。
在一些实施方式中，所述第一输出导线贴合在所述第一PET薄膜中靠近第一TIO薄膜的一面，所述第二输出导线贴合在所述第二PET薄膜中靠近第二ITO薄膜的一面。
在一种具体的实施方式中，如图4所示，为便于将磁粘性体柔性发电装置产生的能量快速有效地传输至外电路中，所述第一输出导线以“弓”形折线的形式贴合在所述第一PET薄膜中靠近第一TIO薄膜的一面；所述第二输出导线也以“弓”形折线的形式贴合在第二PET薄膜中靠近第二ITO薄膜的一面。所述第一输出导线和第二输出导线采用“弓”形折线的设计方式，既方便电流传输，又利于发生形变和恢复形变，从而延长其使用寿命。
在另一种具体的实施方式中，如图5所示，同样为便于将磁粘性体柔性发电装置产生的能量快速有效地传输至外电路中，所述第一输出导线以环形的形式贴合在所述第一PET薄膜中靠近第一TIO薄膜的一面；所述第二输出导线也以环形的形式贴合在第二PET薄膜中靠近第二ITO薄膜的一面。
在一些实施方式中，所述第一输出导线直接与所述第一ITO 薄膜电连接，所述第二输出导线直接与所述第二ITO薄膜电连接。
在一些实施方式中，所述第一输出导线和第二输出导线独立地选自银、铜、镓铟合金或镓铟锡合金中的一种，但不限于此。
在一些实施方式中，所述磁粘性体薄膜的材料包括纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷，其中所述纳米四氧化三铁颗粒主要通过固相反应法或化学沉淀法制得，所述磁粘性体薄膜由所述纳米四氧化三铁颗粒混合在二甲基硅氧烷（PDMS）中并固化形成薄膜。
在一些实施方式中，所述磁粘性体柔性发电装置输出的电压大小与磁粘性体薄膜中的组成成分质量比相关，所述纳米四氧化三铁颗粒与聚二甲基硅氧烷质量比越高，其电压输出越高，反之则电压输出比越小。
在一些实施方式中，所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:1-1:4。以2*2cm的磁粘性体柔性发电装置为例，当所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:1时，其输出电压为60V；当所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:2时，其输出电压为50V；当所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:3时，其输出电压为45V；当所述纳米四氧化三铁颗粒和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:4时，其输出电压为35V。
在一些实施方式中，所述永磁体与所述磁粘性体薄膜的磁化距离为1-20mm。在该距离范围内可以确保永磁体的磁吸力有效，也就是说，在永磁体靠近磁粘性体薄膜到1-20mm范围内时，即可实现发电。在永磁体到达最小距离后朝远离磁粘性体薄膜的方向移动，磁粘性体薄膜会退磁化，磁粘性体薄膜对第一电极层的作用力减弱并消失，第一电极层恢复形变，第一电极层和第二电极层之间的间隙恢复。所述磁粘性体薄膜与永磁体之间的距离越远，电输出越小，并且永磁体的运动频率也直接影响电输出功率。
在一些实施方式中，所述永磁体为永磁铁。
本实施例采用磁粘性体薄膜和永磁体配合进行发电，所述永磁体与第一电极层（或磁粘性体薄膜）没有接触，这种非接触式的推动方式，极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出。
在一些实施方式中，还提供一种磁粘性体柔性发电装置的制备方法，其中，包括以下步骤：
提供第一电极层、第二电极层以及永磁体；
在所述第一电极层表面制备磁粘性体薄膜，并将所述第二电极层间隔设置在所述第一电极层背离磁粘性体薄膜的一端；
将所述永磁体间隔设置在所述第二电极层背离第一电极层的一端，制得所述磁粘性体柔性发电装置。
在一种具体的实施方式中，还提供一种磁粘性体柔性发电装置的具体制备方法，其包括步骤：
为获得较纯净的纳米四氧化三铁颗粒，采用化学共沉淀方法制备所述纳米四氧化三铁颗粒，根据发电量需求选择不同纳米四氧化三铁颗粒与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的质量比混合形成混合浆料，将所述混合浆料涂覆成膜，制得磁粘性体薄膜；
将聚对苯二甲酸乙二醇酯材料拉伸形成聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，在所述PET薄膜表面引出导线，并通过磁控溅射氧化铟锡（ITO）制备贴合在所述PET薄膜内表面的ITO薄膜，即制得PET-ITO复合薄膜；
将所述磁粘性体薄膜贴合在其中一块PET-ITO复合薄膜（第一电极层）中的PET薄膜外表面；
在另一块PET-ITO复合薄膜中的ITO薄膜内表面贴合一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，即制得第二电极层；
将所述贴合有磁粘性体薄膜的第一电极层与所述第二电极层对称布置（两者之间有间隙），所述第一电极层中的ITO薄膜表面与第二电极中的PDMS薄膜表面为发电时的上、下摩擦面；
将永磁体间隔设置在所述第二电极层的下方，即制得所述磁粘性体柔性发电装置，通过移动所述永磁体可对所述磁粘性体柔性发电装置的发电性能进行测试。
综上所述，本实用新型提供的磁粘性体柔性发电装置采用非接触式的推动方式，极大程度地降低了人为操作误差引起的微观不稳定性，具有更稳定的电压输出；其结构简单，加工成本较低，对环境要求较低，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了纳米发电薄膜的稳定性、可靠性和经济性。进一步的，本实施例提供的磁粘性体柔性发电装置结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修，其还具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，包括第二电极层、间隔设置在所述第二电极层上方的第一电极层以及间隔设置在所述第二电极层下方的永磁体，所述第一电极层背离永磁体的一表面设置有磁粘性体薄膜；所述永磁体控制所述磁粘性体薄膜运动，所述磁粘性体薄膜带动所述第一电极层和第二电极层摩擦发电。
2.根据权利要求1所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第一电极层包括从下至上依次层叠设置的第一ITO薄膜和第一PET薄膜，所述磁粘性体薄膜层叠在所述第一PET薄膜上。
3.根据权利要求2所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第二电极层包括从下至上依次层叠设置的第二PET薄膜、第二ITO薄膜和PDMS薄膜。
4.根据权利要求3所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第一电极层上连接有第一输出导线，所述第二电极层上连接有第二输出导线，所述第一输出导线与所述第二输出导线连接同一电容器。
5.根据权利要求4所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第一输出导线贴合在所述第一PET薄膜中靠近第一TIO薄膜的一面，所述第二输出导线贴合在所述第二PET薄膜中靠近第二ITO薄膜的一面。
6.根据权利要求4所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第一输出导线直接与所述第一ITO薄膜电连接，所述第二输出导线直接与所述第二ITO薄膜电连接。
7.根据权利要求4-6任一所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述第一输出导线和第二输出导线独立地选自银、铜、镓铟合金或镓铟锡合金中的一种。
8.根据权利要求1所述的磁粘性体柔性发电装置，其特征在于，所述永磁体与所述磁粘性体薄膜的磁化距离为1-20mm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110224629A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-09-10 | 南方科技大学 | 一种磁粘性体柔性发电装置及其制备方法 |
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